光学课程论文

题目：高功率光纤激光器的应用与展望 ----参考《高功率光纤激光器的应用与展望》

学生姓名付盼

学号2011112139

院系物理学系

专业光信息科学与技术

年级2011级

高功率光纤激光器的应用与展望

摘要：光纤激光器是当今光电子技术研究领域中最炙手可热的研究课题，尤其是大功率光纤激光器，已在很多领域表现出取代传统固体激光器和c02激光器的趋势。本文从光纤激光器的结构出发，详细论述了大功率光纤激光器的工作原理和关键技术，重点介绍了应用更为广泛的脉冲型光纤激光器技术，最后简单列举了大功率光纤激光器的优势及其在工业加工、国防、医疗等领域里的应用情况并对其未来发展前景进行了展望。

关键词：光纤激光器；包层泵浦技术；双包层掺杂光纤；光纤光栅；应用

Appl ication and Forecast of High Power Fiber Lasers Abstract：The technology of fiber lasers is one of research focuses topics in current optoelectmnie area，especially for a high-power fiber optic laser that has exhibited a tendency substituting traditional solidstate laser and CO2 laser in many anjas．We fully expound its principles and sonic key technologies fromits structure，emphasize the technology of a pulse fiber optic laser that is more widely applied ，andenumerate its superiorities and applications in such aindustrial processing，national defense，medicalservice，etc．

Key words：fiber optic laser；cladding pump；double clad rare—earth doped fd~er；fiber Bragg grating；application.

引言(Introduction)

介绍与展望

光纤激光器的历史和激光器本身的历史几乎一样长。但是由于增益光纤和泵浦光源等技术上的限制，商用光纤激光器直到20世纪末才出现。20世纪70年代以来，随着光纤制备技术以及谐振腔结构的改进，光纤激光器有了很大的发展，特别是80年代中期英国南安普顿掺Er 3+光纤的突破，光纤激光器的实用化成为可能，并显示出十分诱人的应用前景，受到人们的广泛重视。90年代开始出现了双包层掺杂光纤激光器的研究。20世纪末宝利来公司的研究人员采用包层泵浦技术，在实验室获得了100 W的激光输出，使得光纤激光器的实用化进入实际阶段。2001年，SDL公司推出了第l 台商用的拉曼光纤激光器，采用Yb包层泵浦激光器泵浦光栅式级联拉曼激光器的结构，根据这种结构可方便地设计出适合输出1．30岫、1．45岬的谐振腔结构。I PG光子公司采用类似的结构实现了l 200～l 600 nm 波段町选择任意波长的激光输出，输出功率达到了lO W。DMNovE．M．等人用掺有P205的光纤实现l 240 nm、l 480 nm处的激光输出。2003年6月，美国I PG公司在德国激光展演示了一台1.1微米，连续输出10 kW的光纤激光器引起了业内的震撼!日前光纤激光器研究与开发主要集中在大功率双包层光纤激光器技术上。用双包层光纤实现大功率激光输出技术最初于1988年提出。

高功率双包层光纤激光器呈现出以下发展趋势：(1)单根光纤输出功率从百瓦级向千瓦级发展，目前单根光纤激光仅在实验室实现了千瓦级功率输出，并且不是单横模；( 2)从高功率连续光纤激光向高功率脉冲光纤激光器发展，从应用目标出发时，连续工作的光纤激光能提供的靶面功率密度较低，脉冲工作的光纤激光将会更为有用；(3)从常规的光纤激光组束技术向相干组束技术发展。

高功率光纤激光器将半导体激光器泵浦技术和双包层光纤掺杂制造技术有机结合起来,吸收两者优势,将高功率、低亮度、廉价的多模LD 光通过泵浦双包层纤结构,实现高亮度、衍射受限的单模激光输出,大大提高了耦合及转换效率,

增加了输出激光功率。它以散热性能好、转换效率高、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护等显著优势,受到各国科技工作者的重视。本文简要介绍高功率光纤激光器的工作机理及应用,并展望了其发展前景。

一．双包层光纤（DCF）

双包层光纤( DCF) 是高功率光纤激光器的关键部件，其结构如图l 所示。双包层光纤的基本结构包括直径为l O～100扯m的掺杂纤芯，以及直径125～l 000微米、数值孔径约为0．45的内包层。设计双包层光纤取决于要求的功率和光束质量。多模泵浦光被耦合进内包层，在其内传输2～8 m，并不断被掺杂纤芯吸收。双包层光纤可以通过两端同时泵浦来提高可用泵浦功率。激光谐振腔由外部光学系统或用紫外激光在光纤芯层写入光纤布拉格光栅(FBG)构成。纤芯可以掺杂多种不同稀士元素，对应小同的激射波长。镱元素是可选掺杂物，因为它有宽吸收带和最高光能量转换效率为80％。

1．1光纤功率限制因素

由于很多因素限制，目前单模光纤激光器光功率限制在1 kW左右，这些限制光纤功率的因素主要有：

(1)光学非线性效应，包括受激布里渊散射，受激拉曼散射和自相位调制；

(2)放大自发辐射，它和激射波长竞争存贮能最，限制最大粒子数反转和最终出射能量：

( 3) 光纤的热破裂极限大约为100 Wcm～。在不超过热破裂极限时，如果一在段10 m长光纤上能量消耗为15 Wm～，一个1 kW光纤激光器会消耗<15％的泵浦吸收能量，或者说每千瓦消耗150 w的热量；

( 4) 在l 060 m处如果最大功率大于l Mw，10 u m芯径的掺镱光纤中脉冲激发的块损坏阈值大于60 GW锄之，连续和表面损坏阈值相当低约为1 w咖～。脉冲长度小于100 ns 时，自聚焦阈值约为4Mw，必须考虑。增加模场直径、加大基模增益、插入空间滤波器、增加高阶模损耗、减少光纤长度、采用光子晶体或多孔光纤等都可以增加光纤最大输出功率，使单根光纤功率达到2 kW。但获得高功率